基于微型慣性傳感器腿部康復(fù)動(dòng)作捕捉系統(tǒng)研究.pdf

1、基于微型慣性傳感器腿部康復(fù)動(dòng)作捕捉系統(tǒng)，其設(shè)計(jì)的意義在于使患者在康復(fù)訓(xùn)練時(shí)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)護(hù)其運(yùn)動(dòng)狀況，并通過再現(xiàn)本體運(yùn)動(dòng)來判斷訓(xùn)練姿勢是否合理。是動(dòng)作捕捉技術(shù)在康復(fù)醫(yī)療領(lǐng)域中的一種應(yīng)用。
　　文中論述了現(xiàn)有的動(dòng)作捕捉系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)，綜合MEMS慣性元件特點(diǎn)以及慣導(dǎo)系統(tǒng)的姿態(tài)解算方法，在此基礎(chǔ)上以腿部康復(fù)訓(xùn)練時(shí)的運(yùn)動(dòng)采集為任務(wù)，對慣性式動(dòng)作捕捉系統(tǒng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、捕捉環(huán)境的要求、使用成本進(jìn)行分析，得到采用基于MEMS慣性元件的動(dòng)作捕捉方式來獲取

2、患者腿部姿態(tài)是一種較優(yōu)越方法。
　　研究工作主要內(nèi)容如下：
　?。?）進(jìn)行了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，完成節(jié)點(diǎn)捕捉層，節(jié)點(diǎn)匯聚層和節(jié)點(diǎn)接收層體系結(jié)構(gòu)分類，以CAN總線為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)了節(jié)點(diǎn)捕捉層和節(jié)點(diǎn)匯聚層的網(wǎng)絡(luò)有線連接。以Zigbee無線通信為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)了節(jié)點(diǎn)匯聚層和節(jié)點(diǎn)接收層的無線連接。實(shí)驗(yàn)表明，這種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可以有效完成各層間的通信。
　?。?）以MPU9150集成慣性元件為核心結(jié)合STM32F103T8U6和CAN總線收發(fā)器V

3、P230完成運(yùn)動(dòng)單元慣性數(shù)據(jù)捕捉節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)；基于上述所用芯片，結(jié)合CC2530F256無線SoC單片機(jī)，完成匯聚節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)；以CC2531F256無線SoC單片機(jī)為核心完成接收節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)表明，系統(tǒng)可以完成運(yùn)動(dòng)信號的數(shù)據(jù)采集，處理和傳輸。
　?。?）針對MPU9150慣性傳感器的數(shù)據(jù)采集特點(diǎn)，設(shè)計(jì) FIR低通濾波器對傳感器采集到的9軸數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理，實(shí)現(xiàn)對高頻噪聲的抑制。并針對MPU9150內(nèi)置磁力計(jì)的靈敏度高，易受外界磁場干擾

4、的問題，使用橢圓擬合的方法對磁力計(jì)進(jìn)行誤差補(bǔ)償。實(shí)驗(yàn)表明，濾波及補(bǔ)償后的數(shù)據(jù)在平滑性和穩(wěn)定性方面具有提升。
　　（4）以四元數(shù)法對慣性傳感器9軸數(shù)據(jù)進(jìn)行姿態(tài)解算，利用3軸加速度數(shù)據(jù)和3軸磁感應(yīng)強(qiáng)度數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)姿態(tài)初始解算?；?軸角速度數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)卡爾曼濾波器更新四元數(shù)，并結(jié)合基于高斯牛頓法，融合加速度數(shù)據(jù)和磁力計(jì)數(shù)據(jù)估計(jì)得到的四元數(shù)，設(shè)計(jì)了互補(bǔ)濾波器，對捕捉節(jié)點(diǎn)的姿態(tài)實(shí)時(shí)更新。實(shí)驗(yàn)表明，初始姿態(tài)的解算和實(shí)時(shí)姿態(tài)更新可以快速準(zhǔn)確得到捕